O nouă instalație subterană numită DUNE, care va accelera particule pe o distanță de 800 de mile între Illinois și Dakota de Sud, ar putea dezvălui dimensiuni ascunse ale Universului. Cercetările recente sugerează că această descoperire ar urma să revoluționeze înțelegerea noastră asupra structurii fundamentale a realității, informează Live Science.
De mai bine de un secol, oamenii de știință sunt fascinați de posibilitatea ca dimensiuni spațiale ascunse, minuscule, să influențeze fizica lumii noastre tridimensionale.
Un studiu recent propune o modalitate de a avansa în această căutare, și anume utilizarea viitorului Experiment de Neutrini Subterani Profund (DUNE) pentru a investiga aceste dimensiuni ascunse prin comportamentul neutrinoilor.
Neutrinii sunt printre cele mai evazive particule ale universului, ceea ce le-a adus porecla de „particule fantomă”.
Există trei tipuri cunoscute de neutrini (arome), fiecare având o masă de miliarde de ori mai mică decât cea a unui electron.
Aceste particule sunt remarcabile prin abilitatea lor de a se transforma sau de a oscila în arome diferite pe măsură ce călătoresc prin spațiu, chiar și fără a interacționa cu alte particule.
DUNE este un experiment viitor de oscilație a neutrinoilor, situat în Illinois și Dakota de Sud.
„În acest experiment, neutrinii sunt generați de un accelerator de particule la Fermilab, în Illinois, ce călătoresc pe o distanță de 1.300 de kilometri, fiind observați cu ajutorul unui detector subteran masiv în Dakota de Sud”, a declarat Mehedi Masud, profesor la Universitatea Chung-Ang din Coreea de Sud și coautor al studiului, pentru Live Science.
Configurația experimentală este ideală pentru studiul oscilațiilor neutrinoilor. Neutrinii creați în coliziunile de la Fermilab, în principal neutrini muonici (una dintre cele trei arome), vor traversa Pământul pentru a ajunge la detectorul din Dakota de Sud. Pe parcurs, se așteaptă ca unii dintre acești particule să se transforme în celelalte două arome: neutrini electronici și neutrini tau.
Prin observarea modului în care evoluează diferitele arome în timpul călătoriei lor, oamenii de știință de la DUNE speră să dezvăluie mai multe întrebări fundamentale în fizica neutrinoilor, cum ar fi ierarhia maselor neutrinoilor, parametrii preciși care guvernează oscilațiile și rolul pe care neutrinii l-ar fi avut în crearea dezechilibrului materie-antimaterie din univers.
Studiul, publicat în Journal of High Energy Physics în luna noiembrie, propune că comportamentul enigmatic al neutrinoilor ar putea fi explicat dacă, pe lângă cele trei dimensiuni familiare ale spațiului, ar exista dimensiuni spațiale suplimentare la scară de micrometri. Deși sunt foarte mici prin standardele cotidiene, astfel de dimensiuni sunt remarcabil de mari în comparație cu scara femtometru, tipică particulelor subatomice.
„Teoria dimensiunilor extra mari, propusă pentru prima dată de Arkani-Hamed, Dimopoulos și Dvali în 1998, sugerează că spațiul nostru tridimensional familiar este încorporat într-un cadru mai înalt dimensional” de patru sau mai multe dimensiuni, a explicat Masud, adăugând că „motivul principal pentru această teorie este de a răspunde la întrebarea de ce gravitația este mult mai slabă decât celelalte forțe fundamentale din natură. În plus, teoria dimensiunilor extra mari oferă o explicație posibilă pentru originea maselor mici ale neutrinoilor, un fenomen care rămâne necunoscut în cadrul Modelului Standard al fizicii particulelor”.
Dacă dimensiuni suplimentare există, ele ar putea modifica subtil probabilitățile de oscilație ale neutrinoilor în moduri detectabile de către DUNE, conform autorilor studiului. Aceste distorsiuni ar putea apărea ca o ușoară suprimare a probabilităților de oscilație așteptate și ca mici „vibrații” oscilaționare la energii mai mari ale neutrinoilor.
În acest studiu, autorii au luat în considerare cazul unei dimensiuni suplimentare. Efectele unei dimensiuni suplimentare sunt determinate în principal de dimensiunea sa. Această dependență creează o oportunitate pentru cercetători de a investiga prezența unor astfel de dimensiuni prin analiza modului în care neutrinii interacționează cu materia din cadrul detectorului. Dimensiunea suplimentară influențează probabilitățile de oscilație ale neutrinoilor, ceea ce, la rândul său, poate dezvălui indicii valoroase despre existența și proprietățile acesteia.
„Prin analiza efectelor de energie joasă și mare ale dimensiunilor extra mari asupra probabilităților de oscilație ale neutrinoilor, am evaluat statistic capacitatea DUNE de a constrânge dimensiunea posibilă a acestor dimensiuni suplimentare, presupunând că ele există în natură”, a spus Masud.
Analiza echipei sugerează că experimentul DUNE va fi capabil să detecteze o dimensiune suplimentară dacă dimensiunea sa este de aproximativ jumătate de micron. DUNE este în prezent în construcție și se preconizează că va începe colectarea datelor în jurul anului 2030. După câțiva ani de funcționare, datele acumulate vor fi probabil suficiente pentru o analiză completă a teoriei dimensiunilor extra mari. Echipa se așteaptă ca rezultatele acestei analize să fie disponibile în aproximativ un deceniu.
În plus, aceștia consideră că, în viitor, combinarea datelor de la DUNE cu alte metode experimentale, precum experimentele de coliziune sau observațiile astrofizice și cosmologice, va îmbunătăți capacitatea de a investiga proprietățile dimensiunilor suplimentare cu o precizie și acuratețe mai mari.
„În viitor, integrarea inputurilor din alte tipuri de date ar putea restrânge și mai mult aceste limite superioare, făcând descoperirea dimensiunilor extra mari mai plauzibilă, în cazul în care acestea există în natură”, a spus Masud, adăugând că „dincolo de a fi o direcție interesantă pentru fizica nouă, prezența posibilă a dimensiunilor extra mari ar putea ajuta, de asemenea, DUNE să măsoare mai precis necunoscutele standard din fizica neutrinoilor, fără influența efectelor necontabilizate”.